某工作面安全煤柱類型確定及提高開采上限可行性分析*

張民

(兗州煤業(yè)股份有限公司 楊村煤礦,山東 濟寧 272118)

兗州礦區(qū)通過近十幾年超強度開采,相對安全性較高區(qū)域基本開采完畢.為礦井可持續(xù)發(fā)展,兗礦集團薄基巖礦井,比如楊村、鮑店和興隆莊3個主力礦井一直進行這方面理論和實踐可行性研究,安全回收了大量優(yōu)質煤炭資源,取得了大量相關研究成果[1-5].為開采安全需要根據(jù)煤巖柱類型留設一定的安全煤巖柱[6,7].對于安全煤巖柱留設尺寸的確定很多學者對此進行了大量研究[8-15],一般分兩步,先確定安全煤巖柱留設類型,然后在此基礎上確定垮落帶或導水裂隙帶高度與對應的保護層厚度,再與基巖厚度進行比較.其中比較重要的是垮落帶或導水裂隙帶高度的確定,確定方法通常有現(xiàn)場實測[8]、數(shù)值模擬[9-11]、室內物理模擬[12]或幾種方法的綜合對比分析[13-15],其中綜合對比分析方法中運用數(shù)值模擬和經驗公式類比分析相對較多[9-11,13-15].例如,吳璋等根據(jù)注漿堵水工程經驗,基于理論分析,結合水泥漿液和砂層特性,通過現(xiàn)場試驗,探索了涌水潰砂綜合防控技術[8];楊達明等通過數(shù)值模擬研究了工作面覆巖破壞規(guī)律,確定了“兩帶”發(fā)育高度來提高開采上限[9];楊俊哲等基于正交試驗原理設計并進行了25組水砂潰涌啟動模擬試驗,其分析結果認為水頭高度是影響潰水潰砂災害發(fā)生的最主要因素[12];曹思文等通過經驗公式類比分析和數(shù)值模擬,探究了楊村煤礦淺部3煤層采區(qū)薄基巖下特厚煤層開采“兩帶”高度問題,為該面提高開采上限的方案設計提供了很好的參考價值[14].

本文基于楊村煤礦330工作面地質和開采條件,分析了相關含水層的富水性特征和上覆基巖柱特征,結合相關規(guī)范[6,7],提出了按防砂安全煤巖柱留設的可行性,并通過類比法和經驗公式預計了垮落帶高度,同時研究了3種不同開采條件下安全煤柱留設的可行性.

1 按防砂安全煤巖柱留設可行性分析

1.1 第四系松散層水文地質特征

由于沉積原因,楊村煤礦山西組3煤層僅1個采區(qū).根據(jù)地質報告,第四系松散層分為上組、中組和下組3個含水層,對薄基巖區(qū)影響最大的是下組含水層,根據(jù)大量鉆孔資料分析,下組又分為上段和下段.其中每個含水層之間的隔水層均相對比較穩(wěn)定,正常能阻隔相互之間的水力聯(lián)系,這可通過3煤采區(qū)7個不同含水層的水文長觀孔監(jiān)測數(shù)據(jù)進行證實,各觀測點水位變化情況如圖1～圖3所示(注:部分觀測孔因回采影響無法繼續(xù)監(jiān)測).

由圖1可以看出,第四系上組含水層水位呈現(xiàn)上下波動變化,但變化幅度基本趨于一致,主要受大氣降水影響,與中組含水層水位變化趨勢明顯不一致,這說明了第四系中組隔水層的隔水性非常穩(wěn)定,且第四系中組隔水層水位總體上呈下降的變化趨勢.如2007年2月26日水文觀測第四系上組水位(Q上-1孔)為38.95 m,第四系中組水位(Q中-1孔)為29.37 m,而同期第四系下組上段水位Q下-1孔和Q下-4孔分別為-21.75和-18.54 m(圖2),第四系下組下段即“底含”水位的Q下-5孔和Q下-7A孔分別為-84.71和-78.44 m(圖3).這可充分反映出第四系各組含水層中的層間黏土層基本上阻隔了相互之間的水力聯(lián)系.

圖1 第四系上組(Q上-1)和中組水位長觀孔(Q中-1)觀測結果

因此,對開采直接影響最大的第四系下組補給條件較差,主要接受其自身的側向徑流補給,以靜儲量為主的含水層.這個含水層,根據(jù)地層分布特征,中間又有一層比較穩(wěn)定的隔水層,把其劃分為上段和下段.圖2和圖3觀測結果對比分析可看出,第四系下組上段水位和第四系下組下段底含水位在相同時間段內變化趨勢也呈現(xiàn)出明顯不一致性,第四系下組上段含水層水位反復波動比較明顯,下降趨勢不太明顯;而第四系下組下段含水層水位變化趨勢至今基本是逐年降低.這說明第四系下組上、下段之間有相對比較穩(wěn)定的黏土層,起到了很好的隔水作用,這層黏土層使第四系下組下段含水層(底含)成為一個相對封閉的區(qū)域,與第四系下組上段含水層在正常沉積區(qū)域無必然水力聯(lián)系.

圖2 第四系下組上段水位長觀孔(Q下-1，Q下-4)觀測結果

圖3 第四系下組下段底含水位長觀孔(Q下-5，Q下-6，Q下-7A)觀測結果

1.2 第四系底部含水層

330工作面位于楊村煤礦3煤采區(qū)的北部,根據(jù)該工作面最近的水文地質鉆孔抽水試驗資料,第四系下組下段含水層單位涌水量q為0.002 3～0.074 274 L/(s·m),滲透系數(shù)K為0.023 5～0.463 2 m/d.抽水試驗數(shù)據(jù)反映出330工作面及附近第四系下組下段含水層總體上富水性較弱,補給不暢,屬弱富水性含水層.

1.3 第四系底部黏土層

楊村煤礦通過對第四系底部黏性土層取樣分析發(fā)現(xiàn),該層黏土為堅硬-半固結的密實飽和性土,具有較小的壓縮性,較差的滲透性和較好的膨脹性,液性指數(shù)均小于0,塑性指數(shù)都大于17,是一良好的黏性土隔水層,對該工作面3煤提高開采上限的安全性具有很好的控制意義.

根據(jù)楊村煤礦3煤采區(qū)淺部41個已有底黏厚度數(shù)據(jù)的鉆孔資料統(tǒng)計分析,3煤采區(qū)底黏分布較廣泛,厚度0.00～11.18 m,可見厚度變化很大,其中有13個鉆孔揭露沒有底黏.根據(jù)鉆孔資料內插可得330工作面第四系底黏厚度變化特征,具有以該面內Q下-8孔和330-7這2個鉆孔為中心向四周逐漸變薄的分布特點,該工作面大部分區(qū)域分布有一定厚度的底黏,僅東北部較小區(qū)域沒有底黏,該工作面底黏厚度0.00～5.74 m,其中位于該面內的Q下-8孔揭露底黏厚度5.25 m(圖4).

圖4 330工作面及鄰近區(qū)域第四系下組底部黏土層(底黏)厚度分布

1.4 工作面3煤層上覆基巖柱特征分析

根據(jù)該工作面Q下-8鉆孔揭露覆巖地層組合分析,3煤覆巖結構為下硬上軟類型,自下而上水穩(wěn)性較差、軟弱隔水的泥類巖含量逐漸增多,這種巖性組合結構有利于抑制導水裂縫帶向上發(fā)育及阻隔底含水下泄.該孔揭露基巖頂部的粉砂巖屬于強風化帶,厚度7.06 m,其下面的中砂巖上部也處于中等風化狀態(tài).這層風化帶一般巖性較軟,不富水,具有很好的阻隔水性.

楊村煤礦已有地面鉆孔和井下部分62個鉆孔探測揭露基巖厚度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,借助Surfer軟件,通過內插等值線作圖,可得330工作面及附近3煤上覆基巖厚度等值線分布圖(圖5).從圖5可看出,該面3煤覆巖厚度從東到西呈逐級變薄的特點,由東邊的42.6 m向西逐漸變薄至18.1 m左右.

圖5 330工作面及鄰近區(qū)域基巖厚度等值線分布

通過330工作面基巖及松散層特征分析,證實了該區(qū)域附近第四系下組下段含水層富水性為弱,大部分區(qū)域還分布有一定厚度的底黏,基巖屬于中硬偏軟類型,有一定厚度的風氧化帶.鑒于以上分析，330工作面的水體采動等級為II級,符合《“三下”開采規(guī)范》[6]的規(guī)定中留設防砂安全煤巖柱的要求.因此,330工作面可考慮按安全留設防砂煤巖柱進行開采方案設計和試采.

2 工作面3煤覆巖采動破壞高度預計分析

2.1 330工作面地質條件概況

根據(jù)工作面及相鄰區(qū)域內巷道及工作面揭露和相關鉆孔揭露3煤層厚度統(tǒng)計,該工作面內煤層厚度7.7～9.2 m,平均8.2 m.

工作面為單斜構造,地層走向NE～SW,傾向SE,總體趨勢西北部高、東南部低;煤層起伏變化不大,煤層傾角1°～6°,平均4°,主要受桲欏樹二號正斷層影響較大.

2.2 綜放開采垮落帶高度分析

由于2017年修編的《“三下”開采規(guī)范》[6]對綜放開采條件下覆巖破壞發(fā)育高度如何預計沒有規(guī)定.為此,根據(jù)兗州礦區(qū)綜放開采經驗,結合楊村煤礦301,305,307等工作面安全回采經驗,擬對330工作面綜放條件下覆巖垮落帶高度進行類比分析.

安全起見,垮采比最大可按4.0選取.330工作面3煤綜放開采厚度按平均厚度8.2 m,垮采比按4.0,由式(1)計算可得預計垮落帶高度為32.8 m.

Hk=4∑M.

(1)

式中:Hk為垮落帶高度,m;∑M為累計采厚,m.

2.3 網下綜放開采垮落帶高度分析

1)類比法分析

興隆莊二采區(qū)進行了2個工作面4個位置垮落帶高度的實測,結果分析得到網下綜放條件下垮落帶高度與開采厚度的比值介于2.4～3.1.安全起見,330工作面3煤綜放開采厚度按平均厚度8.2 m計算,頂分層開采2.8 m,網下綜放5.4 m,垮采比按3.1計算,即可得到預計垮落帶高度為25.4 m.

2)經驗公式預計

根據(jù)文獻[1]中網下綜放開采垮落帶高度的經驗公式為

(2)

(3)

為此,將3煤平均開采厚度8.20 m分別代入式(2)和式(3),為安全起見，中誤差均取正值,得出330工作面3煤網下綜放開采時的最大垮落帶發(fā)育高度分別為27.3和26.9 m.

對比上述2種方法發(fā)現(xiàn),最大垮落帶高度根據(jù)式(2)和式(3)計算的結果差別不大,但與垮采比按3.1計算的結果差別較大.綜合分析認為330工作面3煤網下綜放開采后垮落帶最大高度27.3 m.

2.4 底分層開采垮落帶高度分析

依據(jù)興隆莊煤礦分層綜采的垮落帶高度經驗公式及類比法,對330工作面在采厚度3.0 m條件下采用底分層綜采時,頂板垮落帶高度進行分析.

1)考慮該工作面基巖厚度很薄,按頂分層冒高采厚比最大4.5進行估算[16],由式(4)計算.

Hk=4.5∑M.

(4)

2)根據(jù)兗州礦區(qū)的經驗公式[16],兗州礦區(qū)綜采分層條件下經驗公式為

(5)

3)本區(qū)3煤覆巖屬中硬偏軟類型,根據(jù)《“三下”開采規(guī)范》[6],按照中硬覆巖類型由式(6)計算.

(6)

將3煤底分層開采厚度3.0 m依次代入式(4)～式(6),安全起見,中誤差均取正值,得出該條件下最大垮落帶發(fā)育高度分別為13.5,16.7,11.3 m.綜合分析認為取16.7 m.

2386 已知A1E1、A2E2是⊙O的兩條弦，且A1E1∥A2E2，A1E1=A2E2，直徑BF⊥A1E1于O1，交A2E2于O2，點C在上，CA1、CA2分別交直徑BF于點P1、P2，BC交A1E1于Q1，交A2E2于Q2．

3 工作面防砂安全煤巖柱留設

按《“三下”開采規(guī)范》[6]中防砂安全煤巖柱的留設方法,由式(7)計算最小防砂安全煤巖柱尺寸.

Hs≥Hk+Hb.

(7)

3.1 綜放開采條件下安全煤巖柱留設尺寸的確定

3.1.1 保護層的選取

《“三下”開采規(guī)范》[6]對綜放開采條件下垮落帶和導水裂隙帶高度的計算以及保護帶厚度的選取尚無明確規(guī)定.根據(jù)楊村煤礦301,305,307等工作面以及相鄰興隆莊煤礦、鮑店煤礦、橫河煤礦等綜放全厚開采時,保護層厚度取1.5倍采厚并開采成功.為安全起見,本次保護層厚度取2A,即16.4 m.

3.1.2 綜放開采防砂煤巖柱尺寸確定

綜放開采過程中3煤層按平均厚度8.2 m計算的垮落帶最大高度為32.8 m,按防砂煤巖柱的留設方法,將垮落帶最大高度32.8 m和保護層厚度16.4 m,代入式(7),計算出綜放條件下最小防砂煤柱高度為49.2 m.

按留設防砂安全煤巖柱進行管理,2008年魯煤安管字[2008]71號文給予批復,楊村煤礦3煤采區(qū)煤巖柱厚度大于38.6 m,采高7.7 m,可采用綜放開采.但根據(jù)38.6 m基巖厚度按照式(7)反算最大允許的綜放采高M,若防砂安全煤巖柱垂高為38.6 m,保護層厚度取2M,垮落帶高度4M,則可計算出M=6.4 m,即在基巖高度大于38.6 m時綜放高度控制在6.4 m.

3.2 網下綜放開采條件下安全煤巖柱留設尺寸的確定

3.2.1 保護層的選取

楊村煤礦缺少網下綜放開采相關經驗數(shù)據(jù),《“三下”開采規(guī)范》[6]也尚缺少網下綜放開采條件下防砂安全煤巖柱保護層厚度的有關規(guī)定,只能借鑒類似開采條件下的成功經驗.

和楊村煤礦相鄰的鮑店煤礦5303-2工作面淺部采用網下綜放開采,并且保護層按1.5倍的網下綜放厚度留設,已成功回采;興隆莊煤礦23S1和23S3工作面均采用走向長壁綜采頂分層與網下綜采放頂煤開采相結合的采煤方法已成功回采,最小保護層厚度約為網下綜放厚度的1.65倍和0.7倍.楊村煤礦330工作面與5303-2工作面、興隆莊煤礦23S1和23S3工作面覆巖巖性結構特征相似,為安全起見,取網下綜放開采條件下保護層厚度為2倍網下綜放開采厚度5.4 m,保護層厚度10.8 m.

3.2.2 網下綜放條件下防砂煤巖柱尺寸確定

由覆巖破壞高度預計可知,網下綜放開采過程中垮落帶最大高度為27.3 m,按防砂煤巖柱的留設方法,將垮落帶最大高度27.3 m和保護層厚度10.8 m,代入式(7),計算出網下綜放條件下最小防砂煤柱高度為38.1 m.

3.3 底分層開采條件下安全煤巖柱留設尺寸的確定

3.3.1 保護層的選取

330工作面覆巖大致可劃分屬于下硬上軟的中硬類型,松散層底部黏土層厚度大致為0.00～5.25 m,其上底含有效厚度約為13.7～21.3 m,平均18.2 m,屬于弱含水層.

3.3.2 底分層開采條件下防砂煤巖柱尺寸確定

3煤層開采厚度3 m,預計底分層開采條件下最大垮落帶高度約16.7 m,保護層厚度2A=6 m,根據(jù)式(7)得330工作面按防砂安全煤巖柱留設的最小垂高應為22.7 m.

綜上所述,將不同開采條件下留設防砂煤巖柱最小高度整理得表1.這樣可根據(jù)圖5基巖厚度等值線再按照表1開采工藝條件對應的最小防砂煤巖柱高度進行開采方案設計.

表1 不同開采條件下所需安全煤巖柱厚度計算對比

4 結論

1)330工作面水體下采動等級為II級,該工作面可按留設防砂煤巖柱進行試采.

2)給出3種不同開采方式下最小防砂安全煤巖柱高度.

3)3煤層按防砂煤巖柱留設僅開采底分層3.0 m是安全的,但會造成大量優(yōu)質煤炭資源的浪費,應進一步加強不同區(qū)域不同開采厚度的分區(qū)開采研究.